автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка и исследование индукционных установок косвенного нагрева в технологических комплексах транспортировки нефти

На правах рукописи

Данилушкин Василий Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКЦИОННЫХ УСТАНОВОК КОСВЕННОГО НАГРЕВА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ ТРАНСПОРТИРОВКИ НЕФТИ

Специальность 05.09.10 -Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарском государственном техническом университете на кафедре "Автоматика и управление в технических системах"

Научный руководитель

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

Рапопорт Эдгар Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Котенев Виктор Иванович

кандидат технических наук, доцент

Сабуров Валерий Васильевич

Ведущая организация -

ОАО "Автоматизация трубопроводного транспорта" (г. Самара)

Защита диссертации состоится 22 декабря 2004 года в 10 час на заседании диссертационного совета Д 212. 217. 04 Самарского государственного технического университета по адресу г. Самара 100, ул. Молодогвардейская, 244

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: ул. Первомайская, 18.

Отзывы на автореферат просим направлять на адрес: 443100 Самара, 100, ул. Молодогвардейская, 244, главный корпус, на имя ученого секретаря совета.

Автореферат разослан ноября 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04, к.т.н., доцент

ВВЕДЕНИЕ

Диссертация посвящена разработке и исследованию конструкции и режимов работы индукционных установок подогрева нефти перед транспортировкой по трубопроводам.

Актуальность проблемы:

Трубопроводный транспорт становится все более популярным в мире, число строящихся трансконтинентальных трубопроводов растет. В топливный баланс во все больших размерах вовлекаются нефти, обладающие высокой вязкостью при обычных температурах или содержащие большое количество парафина и вследствие этого застывающие при высоких температурах. Для их перекачки требуются совершенствование существующей и разработка новой технологии, совершенствование методов подготовки нефтей к транспортировке, эксплуатации самих трубопроводов и насосных станций.

Протяженность магистральных трубопроводов России составляет 217 тыс. км, в том числе нефтепроводных - 46,7 тыс. км. По системе магистрального транспорта перемещается 99% добываемой нефти. Надежность систем магистрального трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов является важнейшим фактором стабильности и роста экономического потенциала России.

Высокопарафинистые нефти являются, как правило, высокозастьшающими. Перекачка таких нефтей по трубопроводам обычным способом затруднена, поэтому для их транспортировки применяют специальные методы: перекачку с разбавителями, гидротранспорт высоковязких нефтей, перекачку термообработанных нефтей, перекачку нефтей с присадками, перекачку предварительно подогретых нефтей. Наиболее распространенным способом трубопроводного транспорта высоковязких и высокозастывающих нефтей в настоящее время является их перекачка с подогревом (горячая перекачка). Применяемые подогреватели для потока нефти используют энергию пара или сжигаемого в специальных печах жидкого или газообразного топлива. В настоящее время наиболее широко на тепловых станциях применяют огневые подогреватели, представляющие собой печь, топочная камера которой совмещена с теплообменным аппаратом для подогрева нефти. Применяемые огневые печи подогрева нефти, работающие на газе или нефти, являются источником повышенной пожаро и взрывоопасности. Огневые печи являются источником эмиссии углекислого газа и других вредных для здоровья человека выбросов, т.е. представляют определенную экологическую опасность. Кроме того, регулирование теплового режима печи представляет собой сложный процесс, требующий привлечения высококвалифицированного обслуживающего персонала.

Повысить экономическую эффективность, надежность работы систем и улучшить экологическую обстановку позволит замена огневых печей подогрева нефти на теплообменные аппараты с индукционным нагревом,

ВОЗМОЖНОСТЬ концентрации большого КОЛ

объеме, обеспечение высокой равномерности нагрева, простота и плавность регулирования, компактность, экологическая чистота и удобство обслуживания. Применение их может дать существенные технологические преимущества: более высокую точность стабилизации температуры, высокую степень автоматизации и удобство регулирования, более высокую надежность и долговечность. С этих позиций проблема создания индукционных систем для нагрева высоковязких нефтей при перекачке трубопроводным транспортом является актуальной.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР "Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева" (гос. регистрационный № 01200208264) по заданию Министерства образования РФ.

Делью работы является разработка оптимальной конструкции индукционной системы для непрерывного нагрева нефти в процессе ее транспортирования на основе результатов математического моделирования электромагнитных, гидродинамических и температурных полей в системе "индуктор-металл-жидкость", построение на базе проведенных исследований замкнутых систем управления, реализующих заданные технологические требования. Решение поставленных задач составляет основное содержание диссертационной работы, выполненной автором в Самарском государственном техническом университете.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, аппарата преобразований Лапласа, теории электромагнитного поля, теории автоматического регулирования, теории оптимального проектирования, экспериментальные методы исследования объектов и систем управления и методы компьютерного моделирования.

Достоверность результатов работы оценивалась путем сравнения с результатами численных экспериментов и частично с данными, полученными в работах других авторов.

Научная новизна.

В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

-математические модели процесса теплопроводности при косвенном индукционном нагреве вязких жидкостей в теплообменном аппарате непрерывного действия, ориентированные на решение задач проектирования и автоматического управления нагревательными комплексами;

методика расчета оптимальных параметров нагревателя непрерывного действия для косвенного индукционного нагрева вязких неэлектропроводных жидкостей;

- структура системы автоматической стабилизации температуры нефти на выходе из нагревателя.

Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи расчета параметров индукционных

нагревательных установок, выбора источника питания, расчета режимов работы и синтеза систем автоматического управления объектами индукционного нагрева в специализированных технологических процессах.

Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

- построен и реализован на ЭВМ комплекс программ расчета электромагнитных, гидродинамических и тепловых полей при непрерывном косвенном индукционном нагреве потока жидкости с неравномерным по сечению распределением скорости потока жидкости;

- разработаны рекомендации по проектированию индукционной системы для теплообменных аппаратов в установках технологического нагрева вязких жидкостей;

- предложена методика определения передаточных функций для исследуемого теплообменного аппарата с индукционным нагревом;

- предложена структура замкнутой системы автоматического управления температурным режимом работы нагревателя, реализованная на базе управляющей микропроцессорной техники;

- на основании проведенных исследований разработана электротермическая установка непрерывного действия для подогрева нефти при транспортировке по трубопроводам.

Полученные электромагнитная, гидродинамическая и тепловая модели позволяют использовать их не только для решения конкретно поставленной задачи, но и для других практически важных задач технологического нагрева.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9-й межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара, 1999), на 8-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва, 2002), на 2-й Международной конференции молодых учёных и студентов (г. Самара, 2001), на научно-технической конференции "Электротехнология на рубеже веков" (г. Саратов, 2001), на 11-й межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара, 2001), на 9-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва, 2003), на 12-й межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара, 2002), на 10-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва, 2004), на межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара, 2004).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 124 страницах машинописного текста;

содержит 54 рисунка и 7 таблиц, список использованных источников, включающий 100 наименований и 1 приложение.

На защиту выносятся следующие положения:

- Математические модели процесса нестационарной теплопроводности в системе "индуктор-металлическая труба-жидкость", ориентированные на решение задач проектирования установок и систем управления нагревом нефти при ее транспортировке по трубопроводам.

- Рекомендации по выбору оптимальных параметров индукционных нагревателей для теплообменных аппаратов непрерывного действия, обеспечивающих заданную температуру жидкости на выходе из нагревателя с требуемой точностью.

- Конструкция теплообменного аппарата непрерывного действия с индукционным нагревом

- Структура замкнутой системы автоматического управления процессом нагрева вязких жидкостей в теплообменных аппаратах непрерывного действия.

- Специализированная установка непрерывного индукционного

нагрева для технологического комплекса подготовки нефти к транспортировке по трубопроводам.

Краткое содержание работы:

Во введении обосновывается выбор темы, формулируется цель и основные задачи работы, характеризуется новизна и практическая значимость полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор существующих технологий нагрева нефти при подготовке ее к транспортировке по нефтепродуктопроводам. Анализ используемых в настоящее время установок и способов подогрева нефти показал, что существующие методы нагрева не всегда обеспечивают возросшие требования к экономической эффективности, точности и быстродействию систем. В то же время существуют различные конструкции индукционных нагревателей для жидкостей, которые позволяют удовлетворить все технологические требования с высоким качеством.

Вопросам теории и методам расчета электромагнитных и тепловых полей при индукционном нагреве посвящены работы В.П. Вологдина, Л.Р. Неймана, Г.И. Бабата, Н.Н. Родигина, А.Е. Слухоцкого, А.В. Донского, А.А. Простякова, A.M. Вайнберга, О.В. Тозони и других. Комплекс гидравлических и тепловых задач рассматривается в работах В.М. Агапкина, В.П. Исаченко, П.И. Бажана, В.Я. Шкадова, Губина и др. В работах А.Б. Кувалдина рассмотрены вопросы расчета, проектирования и практического применения индукционных установок для низкотемпературного нагрева ферромагнитных сталей на частоте 50 Гц в различных технологических процессах, а так же для косвенного нагрева жидкостей и газов. Приведены описания и характеристики

установок косвенного индукционного нагрева, работающих в различных отраслях промышленности.

В последние годы всё большее применение находят установки индукционного нагрева в таких нетрадиционных областях, как нефтеперерабатывающее производство, строительная индустрия, конверсионное производство и других отраслях промышленности. Индукционные установки, используемые здесь, имеют ряд особенностей, выделяющих их в отдельный класс объектов. Специфические свойства нагреваемых жидкостей, такие, как низкая теплопроводность, высокая вязкость, существенно зависящие от температуры, а так же принципиальные особенности способа индукционного нагрева обусловили необходимость разработки конструкции теплообменного аппарата, значительно отличающейся от существующих конструкций с внешним обогревом паром, отходящими печными газами или жидким теплоносителем. Эта конструкция представляет собой два осесимметричных стальных цилиндра (рис.1), в кольцевом зазоре между которыми протекает нагреваемая жидкость.

Рис. 1 Эскиз теплообменного аппарата 1. Нефтепродукт; 2. Труба; 3. Внутренняя изоляция; 4. Индуктирующий провод; 5. Внешняя изоляция.

Внешняя труба охватывается катушкой индуктора, который создает переменное электромагнитное поле. Вследствие низкой теплопроводности и высокой вязкости нефти и при наличии технологических ограничений на максимальную температуру нагреть жидкость в трубе большого поперечного сечения за приемлемый промежуток времени не представляется возможным. Применение конструкции с осесимметричными трубами, в которой внутренняя труба служит в качестве вытеснителя, позволяет увеличить площадь теплообмена при минимальной толщине потока жидкости.

Во второй главе рассматриваются вопросы математического моделирования электромагнитных процессов в многослойной осесимметричной системе "индуктор - теплообменник", процессов тепломассопереноса при нагреве жидкости в теплообменном аппарате непрерывного действия. В общем случае процесс непрерывного нагрева рассматриваемого класса объектов, представляющего собой систему сопряженных разнородных по физическим свойствам осесимметричных цилиндров разного диаметра, описывается нелинейной взаимосвязанной системой уравнений Максвелла и Фурье соответственно для электромагнитного и теплового полей с соответствующими краевыми условиями.

cl{Tx)i^x)^=div{kl{Tl)gradTl)-div[EH}

c3(T,)Y,{T3)^=diy{X,{T3)gradT3)-div[EH]

(1)

Здесь {ff J — векторы напряженности магнитного поля и магнитной индукции, - вектор плотности приложенного тока, \le}-

вектор плотности индуцированного тока, /—время, Tx{r,x,t), Тъ (г, x,t);-соответственно температурные поля внешней трубы, потока жидкости, и внутренней трубы, сг, Yj, у3 - удельные значения

теплоемкости и плотности материалов труб теплообменного аппарата, удельные значения теплоемкости и плотности нагреваемой жидкости, Л.рЛ.зДз- коэффициенты теплопроводности материалов внешней трубы, жидкости и внутренней трубы, V - вектор скорости перемещения потока жидкости. Объемная плотность внутренних источников тепла, индуцируемых в трубах теплообменного аппарата, определяется дивергенцией вектора Пойнтинга П = -<йу[ЕН].

Алгоритм решения электромагнитной, тепловой и гидродинамической задач реализован программным путем. Для решения использован пакет из программного комплекса ANSYS. Для представления результатов расчета в наглядной форме использовался специальный графический пакет, который

позволяет показать распределения температурных полей в виде плоской картины изотерм для всего массива точек.

При решении электромагнитной задачи принимаются следующие допущения. Поле принимается квазистационарным. Под этим понимается отсутствие запаздывания электромагнитной волны в диэлектрике. Это допущение позволяет пренебречь токами смещения по сравнению с токами в проводниках. Не учитываются потери на гистерезис при нагреве ферромагнитных тел в силу их незначительности по сравнению с потерями от вихревых токов.

Принятые допущения позволяют упростить решение электромагнитной задачи. Граница раздела магнитных сред описывается системой соотношений:

Последнее выражение в (2) учитывает скачкообразное изменение вектора на границе раздела сред.

При ~ ^ тангенциальные составляющие напряженно и н а границе раздела непрерывны

Кроме условий сопряжения для получения однозначного решения уравнений Максвелла в форме напряженности электрического поля р?} и напряженности магнитного поля |И} в области Ксй3 с границей S необходимо задать:

- уравнения поверхностей, отделяющих друг от друга среды / и j, /,/х,у,г)=0-

- начальные величины Ео(х,у,г), Но(х,у,г) в момент времени ^ в произвольной точке исследуемого объема с границей S;

- касательные составляющие вектора Е или Н в произвольной точке поверхности в произвольном временном интервале от /о ДО или распределения полей Е и Н вне исследуемого объема V;

- функциональные зависимости параметров е, ц, у от координат пространства или от напряженности соответствующего поля.

Матричная магнитная проницаемость может быть введена как функция температуры или поля.

Решение краевой задачи расчета магнитного поля в изотропной среде эквивалентно минимизации энергетического функционала:

Решение задачи осуществляется итерационным методом.

Для учета нелинейной зависимости ИчД^О в ферромагнитных областях разработан итерационный алгоритм многократного решения результирующей системы уравнений. В начальной стадии расчета задается значение ¡1=соп$1 по всей области ферромагнитных макроэлементов, затем вычисляются распределенные параметры поля, что позволяет на следующей стадии расчета корректировать ¡1 внутри каждого конечного элемента в зависимости от значения напряженности магнитного поля в данной области. Итерации повторяются до полной сходимости процесса. Определение магнитной проницаемости производится с помощью введения в программу расчета полинома, аппроксимирующего кривую намагничивания.

Далее приводится расчёт гидродинамических характеристик ламинарного потока вязкой жидкости. Расчет проводится с целью получения зависимости температурного распределения в потоке жидкости при подогреве ее в нагревателе непрерывного действия. Математическое описание движения основывается на уравнениях неразрывности Навье-Стокса, в которые подставляется истинная скорость, зависящая от радиальной координаты. Уравнение непрерывности для случая вязкой несжимаемой жидкости вытекает из закона сохранения массы

где - плотность, - вектор скорости, - время. Скорость изменения плотности заменяется на скорость изменения давления Р и на скорость изменения плотности по давлению:

Зу _ Эу дР

Из закона сохранения масс для ньютоновской жидкости вытекает следующая зависимость между тензором напряжений и скоростью деформации среды:

(6)

3»

(7)

Ф*

где тензор напряжений; - динамическая вязкость.

Выражение (5) преобразует уравнения движения в уравнения Навье

Стокса:

дм

а р р

\1е - эффективная вязкость, для ламинарной жидкости совпадает с динамической вязкостью, для турбулентного случая задается формулами в зависимости от модели турбулентности.

Для описания вязкостно-температурной зависимости используется эмпирическая формула:

V =

420

+0.03

(9)

1+0.005-Г + 0.0055-Г2 +0.009-Г3

На основании приведенных зависимостей методом конечных элементов решена гидравлическая задача, которая позволила определить распределение скоростей по сечению потока жидкости. Расчеты показывают, что для заданной производительности и размеров нагревательной системы имеет место ламинарное течение жидкости.

Следующим этапом исследования является разработка математической модели тепловых процессов в сложной физически неоднородной системе сопряженных тел с относительным движением. Разработка численной модели температурного поля системы сопряженных тел проводится с учетом существующих гидравлических процессов.

Схема теплообмена, принятая при решении задачи теплопроводности в исследуемой системе тел, представлена на рис. 2.

Характер распределения и удельная плотность мощности внутренних источников тепла определены в результате решения электромагнитной задачи.

Решение тепловой задачи выполним, используя первый закон термодинамики. Запишем его с использованием дифференциальных уравнений для объёмных тел:

ус^ + М^+^ГЫ^

(Ю)

где {£У - векторный оператор; {у}— вектор, характеризующий скорость переноса тепла; вектор теплового потока. скорость образования тепла в

конечном объёме. Закон Фурье устанавливает связь между вектором теплового потока и температурным градиентом:

Полученные уравнения используются для решения задач в декартовой системе координат. Задача рассматривается в линейной постановке. Такой подход позволяет перейти к конечно-элементной формулировке гораздо проще, чем при нелинейной постановке.

Для полной физической определенности общая система уравнений дополняется эмпирическими зависимостями вязкости, плотности, удельной теплоемкости нефти, коэффициентов теплопроводности, теплопередачи и других величин от температуры. Для решения задачи тепломассопереноса в указанной постановке разработаны вычислительный алгоритм и программа, которая содержит три расчетных блока - электрический, гидродинамический и тепловой.

Исходными данными для расчета являются:

- конструктивные параметры нагревателя - длина нагревателя, геометрические размеры труб, материал труб, электро и теплофизические характеристики материала труб, табличные значения зависимостей относительной магнитной проницаемости материала труб от напряженности магнитного поля, диаметр индуктирующей катушки, толщина тепловой изоляции;

- энергетические параметры - напряжение питания, частота тока;

- параметры нагреваемой жидкости - теплофизические характеристики нефти, скорость потока жидкости, массив табличных значений зависимостей вязкости нефти, теплоемкости, коэффициента теплопроводности и коэффициента теплообмена от температуры, плотность;

- условия нагрева - начальная температура, заданная конечная температура, ограничения.

Для представления результатов расчета в наглядной форме использовался специальный графический пакет, который позволяет показать распределения температурных полей в виде плоской картины изотерм. Удобные средства отображения позволяют получить реальную картину теплового состояния объекта.

В третьей главе с использованием предложенной в работе численной модели выполнен расчет и анализ электромагнитных и тепловых полей на примере конкретной индукционной установки для подогрева сырой нефти в магистральной линии нефтепровода и рассмотрены вопросы оптимального проектирования индукционного нагревателя. За исходную конструкцию принимается осе симметричная конструкция теплообменника с внешним

(11)

(12)

охватывающим индуктором. Начальная температура нефти - (15 ЗО)град., температура на выходе - (60 90) град. Теплофизические характеристики приняты для нефти Узеньского месторождения. Плотность

нефти - 980 т/м3, теплоемкость - 2,28 кДж/кг-°С, коэффициент теплопроводности - (0,19-5-0,22) , кинематическая вязкость - (8,26*10" м2

Давление продукта - 25 мПа.

с

Исследуемая система состоит из нескольких разнородных по своим физическим свойствам материалов, входящих в состав индукционного нагревателя: индуктор - тепловая изоляция - внешняя труба - нагреваемая жидкость - внутренняя труба.

Как следует из проведенных расчетов, при использовании ферромагнитной стали для изготовления внешней трубы большая часть энергии выделяется во внешней трубе. Следствием этого является неэффективное использование площади поверхности теплообменного аппарата. Применение немагнитной стали с большим удельным сопротивлением для изготовления внешней трубы позволяет, изменяя частоту источника питания или толщину стенки трубы, варьировать долю мощности, передаваемой во внутреннюю трубу. В настоящей работе исследуется нагреватель, внешняя труба которого выполнена из немагнитной стали, а внутренняя - из ферромагнитной. Параметры системы: внутренний диаметр внешней трубы - 0,29м, внешний диаметр вытеснителя (внутренней трубы) - 0,232м, толщина стенки труб - 0,01м, рабочий зазор между трубами - 0,035м. Скорость потока нефти в межтрубном зазоре - 0,03м/с. Характер распределения удельной мощности по сечению внешней трубы, выполненной из нержавеющей немагнитной стали и внутренней трубы, выполненной из ферромагнитной стали, представлен на рис.3.

На основании приведенных в разделе 2 зависимостей методом конечных элементов решена гидравлическая задача, которая позволила определить распределение скоростей по сечению потока жидкости. Специфической особенностью процесса подогрева нефти при перекачке является ее высокая вязкость и, как следствие, ламинарный характер течения жидкости в канале. Расчеты показывают, что для заданной производительности и размеров нагревательной системы число Рейнольдса варьируется в пределах 280 / 530, что значительно меньше критического значения, определяющего турбулентный характер потока.

Рис.3.

На рис.4 представлено поле скоростей при симметричном нагреве жидкости. Полученные распределения скоростей используются далее при расчете температурного распределения в потоке жидкости.

Разработанный в разделе 2 алгоритм расчета температурных полей в системе "индуктор-труба-жидкость" позволяет рассчитать температурные поля в потоке жидкости при нагреве источниками тепла, выделяющимися в трубах нагревателя под действием вихревых токов. На рис.5 приведены результаты расчета температурных полей при симметричном (двухстороннем) нагреве. Здесь кривые 1, 2, 3, 4, 5, 6- соответствующие температурные распределения в сечениях потока жидкости на расстоянии 0,5м, 1м, 1,5 м, 2 м, 2,5 м от входа и на выходе из нагревателя. Как показывают расчеты, вследствие низкой теплопроводности нефти при ламинарном течении ее нагрев характеризуется большим перепадом температур по сечению потока, что приводит к необходимости поиска оптимального соотношения между длиной нагревателя и величиной межтрубного рабочего зазора. Далее в работе даются рекомендации и приводятся соотношения для поиска оптимальной частоты тока из условия равенства мощностей, выделяемых в каждой трубе. При известных производительности магистральной линии трубопровода, температуре нагрева и характеристиках перекачиваемой жидкости полная мощность Р, подводимая к индуктору, может быть определена по известному соотношению:

Р = с-уП-АТ+&Рт, (13)

где производительность нагревателя, приращение

температуры на выходе из нагревателя, - тепловые потери с поверхности индуктора. При низкотемпературном нагреве тепловые потери в окружающую среду при наличии тепловой изоляции индуктора пренебрежимо малы по сравнению с мощностью, передаваемой в жидкость, поэтому их можно не

Рис.5

С учетом сказанного мощность, выделяющаяся в наружной трубе, должна быть равна половине всей подведенной к индуктору мощности. Исходя из условия равенства выделяемой в трубах мощности можно записать:

Р, = / е~2Х//Ь(1х = А = пШ,р0

п 2

-2С,

1-е

(14)

где Ь - длина активной части нагревателя, Р( - мощность, выделяющаяся во внешней трубе, - толщина стенки трубы, р0 - удельная мощность, — средняя по сечению стенки трубы плотность наведенного в металле трубы тока, глубина проникновения тока в металл трубы, - частота тока.

Отсюда при известной толщине стенки трубы и электрофизических характеристиках металла трубы находим оптимальную частоту.

При наличии технологического ограничения на максимальную температуру нагреваемой жидкости в процессе нагрева температура стенки трубы так же должна быть ограничена на определенном уровне. В стационарном режиме указанное требование обеспечивается стабилизацией на заданном уровне температуры трубы, что, при переменном коэффициенте теплообмена, приводит к неравномерному распределению мощности по длине нагревателя. В работе на базе упрощенной модели объекта определена минимальная длина индукционной системы, обеспечивающая выполнение условия

в выходном сечении для случая максимальной производительности

нагревателя при заданной точности нагрева и при ограничении на

максимальную температуру трубы вида

В качестве варьируемых параметров рассматриваются величина рабочего зазора и длина нагревателя.

В стационарном режиме при постоянстве температуры поверхности трубы и переменном коэффициенте теплообмена распределение мощности по длине нагревателя будет неравномерным. В работе определен алгоритм распределения удельной мощности по длине нагревателя при различной производительности.

По результатам исследований рассчитаны параметры индукционного нагревателя для магистрального трубопровода производительностью 360 т/сутки: длина нагревателя- 3,4м, мощность одного модуля - 86 кВт, количество модулей -4, количество секций в модуле -3, мощность первой секции - 36 кВт, второй секции - 28 кВт, третьей секции - 22 кВт, внешний диаметр индуктора - 0,344м; длина первой секции - 1,3м, длина второй секции - 1,1м, длина третьей секции - 1м.

Четвертая глава посвящена исследованию динамических свойств системы "индуктор - металл - жидкость" как объекта управления и вопросам построения структуры системы автоматического управления нагревательной установкой, обеспечивающей нагрев жидкости до заданной температуры с заданной точностью при действующих на систему возмущениях. Для определения передаточных функций объекта в настоящей работе используется переходная функция, полученная расчетным путем с помощью численной модели. Исследование динамики объекта выполнено для характерных точек, в которых предполагается устанавливать датчики температуры для формирования сигнала обратной связи.

В зависимости от вида переходных функций для температуры в контролируемых точках сечения потока жидкости при скачкообразном изменении мощности нагрева из набора элементарных функций для передаточной функции выбираем выражение вида

шЛш.)^'^ т

или

Здесь Кк(гп) —- коэффициент передачи звена "напряжение на

индукторе - температура жидкости в точке контроля", радиальная

координата точки контроля, постоянная времени запаздывания, постоянная времени для соответствующей точки п, обусловленная тепловой инерцией объекта. -звено транспортного запаздывания.

На рис.6 приведена структурная схема системы автоматического регулирования температуры для одной секции нагревателя. Структурная схема каждой секции объекта управления, составленная на основании численных экспериментов, представляет собой совокупность элементарных звеньев -апериодических и звеньев запаздывания. Приводятся найденные на основании численных экспериментов параметры передаточных функций для каждой секции нагревателя. Выходной координатой объекта является средняя по сечению потока температура жидкости. Оценка средней температуры осуществляется путем интегрирования кривой температурного распределения по сечению потока, полученной по результатам измерений в нескольких точках.

Установлена связь между температурным распределением и средней по сечению температурой потока. Средняя по сечению температура потока жидкости определяется выражением:

Рис.6

Распределение температуры по радиусу предлагается аппроксимировать кусочно-линейной функцией, состоящей из отрезков прямых с концами в точках измерения температуры: ахг+Ьх, при Яп<г<Л12 а2г+Ь2, при Я12 </•</?,з

Т(г) =

а1г+Ъ1, при Ни £г<Я1

(20)

1(7+1;

где N - количество точек измерения температуры по радиусу потока. Коэффициенты в,- и Ь1 определяются из выражений

а, = ■

К = Фи

(21)

Подставив выражение (20) для функции распределения температуры в формулу вычисления средней температуры после выполнения интегрирования получаем:

9 ЛГ-1ЯК"-и .

ЛЩ2 '=> я,/

лм

•Е

1=1

Р 3 _р ' о 2 р 2

, . ким> п

«I --;-+Ь1----

-Ли

С учетом выражений (21) для коэффициентов щ и Ь1 получаем:

Подставляя в выражение [23] координаты точек измерения температуры и значения температуры в каждой точке, находим среднюю температуру в выходном сечении потока. Расчет средней температуры в реальном масштабе времени в системе автоматического управления, представленной на рис.7, реализован в вычислительном блоке ■

Для оценки качества управления нагревом использовалась динамическая модель системы, приведенная на рис.7. Исследуемая система управления имеет три независимых канала регулирования по числу индукционных нагревателей в линии. Каждый канал регулирования имеет ПИ - регулятор, который отрабатывает без статической ошибки постоянное задающее воздействие и возмущения, обусловленные изменением скорости потока жидкости, начальной температуры на входе в нагреватель, изменением физических характеристик жидкости (удельной теплоемкости, теплопроводности, плотности, и др.). Для моделирования системы управления использовались возможности среды технологических расчётов - MATLAB®, а также сопутствующей системы для моделирования динамических нелинейных систем - Simulink® . В целом при анализе реакции системы на различные возмущающие воздействия можно сделать вывод об удовлетворительном качестве работы системы. Анализ поведения системы автоматического управления в динамике при отработке различных возмущающих воздействий показал высокую эффективность предлагаемой системы, позволяющей обеспечить весьма жесткие технологические требования по нагреву нефти перед транспортировкой по трубопроводам.

На рис.8 представлена функциональная схема технологической установки для нагрева нефти в магистральном трубопроводе производительностью 360 т/сут. Система управления реализована на базе программируемого логического контроллера фирмы Siemens серии S7-300. Данная серия обладает достаточным быстродействием (1 млн. инструкций в секунду), высокой надёжностью аппаратной части и системного программного обеспечения. Каждый вычислительный блок реализуется в виде отдельного блока-функции (Function Block) программы контроллера. Это позволяет модифицировать алгоритм любого блока, не изменяя остальные блоки.

Объем программной памяти контроллера и его быстродействие позволяют реализовать на контроллере не только систему автоматического управления нагревом, но и остальные системы, участвующие в обслуживании станции перекачки.

Супервизорное управление процессом нагрева осуществляется с автоматизированного рабочего места оператора, реализованного на персональной ЭВМ, работающей под управлением операционной системы Microsoft Windows 2000 и SCADA-системы сбора и предоставления информации Siemens SIMATIC WinCC 5.1 Service Park 2.

Мнемосхемы интуитивно понятный процесса отслеживать уставки регуляторов

Рис.8

SCADA-системы WinCC обеспечивают удобный, пользовательский интерфейс, позволяющий в темпе изменения всех измеряемых параметров, изменять и настройки алгоритмов. Связь управляющего контроллера с операторской станцией осуществляется по промышленной сети PROFIBUS.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты.

1. Проведённый анализ существующих технологий нагрева нефти перед транспортировкой по трубопроводам показал, что используемые в настоящее время методы нагрева не обеспечивают возросших требований к эффективности и надежности систем, не удовлетворяют требованиям экологии. В то же время существуют различные конструкции индукционных нагревателей для жидкостей, которые при определенном подходе к их проектированию позволят обеспечить все перечисленные требования.

3. Разработана и реализована программно конечно-элементная модель электромагнитного поля в многослойной цилиндрической системе, состоящей из двух разделенных диэлектрической жидкостью осесимметричных металлических труб с различными электрофизическими свойствами, охваченных индуктором. С ее помощью проведены расчеты и выполнен анализ распределения мощности электромагнитных источников тепла для различных вариантов конструкции теплообменного аппарата. Получены диаграммы распределения, мощности внутренних источников тепла по радиусу трубы и длине нагреваемого изделия.

4. На основании анализа технологического процесса нагрева неэлектропроводных вязких жидкостей сформулирована задача идентификации и разработана численная математическая модель нестационарной теплопроводности в системе осесимметричных тел с различными теплофизическими свойствами. На базе метода конечных элементов предложен алгоритм решения тепловой задачи с учётом неравномерного распределения скорости нагреваемой жидкости по сечению потока. С его помощью получены тепловые поля рассматриваемого объекта, выполнен анализ и даны рекомендации по выбору рациональной конструкции индукционной системы, ориентированной на нагрев вязких неэлекгропроводных жидкостей.

5. На основании анализа электромагнитных и тепловых полей для заданных параметров труб теплообменного аппарата обоснован выбор частоты тока индуктора, обеспечивающего заданное распределение электромагнитной мощности между внешней и внутренней трубами. Приведены рекомендации по выбору толщины стенки труб теплообменного аппарата и электрофизических характеристик материалов для них при фиксированной частоте тока индуктора.

6. На основании численных экспериментов по переходной функции объекта получены передаточные функции системы "индуктор - металл -жидкость" в виде комбинации параллельно соединенных апериодических звеньев и звеньев запаздывания.

7. Предложена структура замкнутой системы автоматического регулирования средней по сечению потока температуры жидкости. Предложена оценка средней по сечению температуры жидкости на основании аппроксимации экспериментально полученной функции распределения температуры жидкости по сечению в виде или кусочно-линейной зависимости.

8. Проведен анализ качественных показателей работы системы регулирования при отработке возмущающих воздействий по различным каналам воздействий. Результаты анализ свидетельствуют об удовлетворительных качественных показателях работы системы автоматического регулирования.

9. По результатам исследований предложены конструкция теплообменного аппарата с индукционным нагревом и системы управления, позволяющие значительно повысить эффективность и качество работы установки, обеспечить более высокую надежность, существенно увеличить срок службы.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.ВА Данилушкин, МА Шумаков. Разработка энергоэффективной системы индукционного нагрева для технологического комплекса производства строительных мастик// Саратовский государственный технический университет. Электротехнология на рубеже веков. Сб. науч. ст. по материалам конференции. - 2001 г. с. 68 - 72.

2. МА Шумаков, ВА Данилушкин, СА Калашников. Аналитическая идентификация процессов теплопроводности в системе "индуктор - тепловыделяющий цилиндр - жидкость"// Математическое моделирование и краевые задачи: Труды XII

межвузовской конференции, часть 2. 29-31 мая 2002 г. Самара: СамГТУ, 2002. С. 28 -31.

3.М.А. Шумаков, В.А. Данилушкин. Индукционные установки для нагрева жидких форм при производстве на основе тяжелых фракций нефтепродуктов// Радиоэлектроника, электротехника и электроэнергетика// Восьмая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т.- М: Издательство МЭИ, 2002. Т.2. - 123 -124.

4. ВА. Данилушкин, С.А. Калашников, М.А. Шумаков. Применение индукционных нагревателей в трубопроводном транспорте высоковязких нефтей//Вестник Самарского Государственного Технического Университета//Серия "Технические науки", Вып. №14-2002 С.178-181.

5. ВА. Данилушкин, МА. Шумаков. Идентификация процесса нестационарной теплопроводности при нагреве вязких нефтепродуктов в проходном индукционном нагревателе//Вестник Самарского Государственного Технического Университета//Серия "Технические науки", Вып. №15-2002 С.177-181.

6. Данилушкин В.А. Калашников С.А Индукционный подогрев высоковязких нефтей при транспортировке по трубопроводам // Разработка, эксплуатация и обустройство нефтяных месторождений: Труды ОАО Гипровостокнефти, Самара, 2002, с. 195-200.

7. В А. Данилушкин, С.А. Калашников. Моделирование процесса нестационарной теплопроводности при нагреве жидкости в теплообменном аппарате с индукционным нагревом // Радиоэлектроника, электротехника и электроэнергетика// Девятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т.- М: Издательство МЭИ, 2003. Т.2. -126 -127.

8. А.А. Базаров, В А. Данилушкин, А.Н. Крылов. Синтез оптимальных алгоритмов управления процессом непрерывного индукционного нагрева ферромагнитной загрузки. Труды АЭНЧР, №1/2003, стр.88 - 91.

9. ВА. Данилушкин, Д.А. Зиннатуллин. Оптимизация конструкции и режимов индукционных нагревателей в специализированных комплексах обработки неэлектропроводных материалов //Международная научно - техническая конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (XI Бенардосовские чтенияуЯез. докл. в 2-х т. - Иваново, 2003. Т. 1. - стр. 9.

10. В А. Данилушкин. Оптимизация переходных режимов непрерывного индукционного нагревателя с ферромагнитной загрузкой // Электро - теплотехнические процессы и установки // Межвузовский научный сборник - Саратов 2003. стр. 84 - 88.

11. В А. Данилушкин, Д.А. Зиннатуллин. Расчет и анализ индукционных нагревателей для транспортировки нефти // Разработка, эксплуатация и обустройство нефтяных месторождений: Тр. ОАО Гипровостокнефти, Вып. 62, Самара, 2003, стр. 115-122.

12. В А. Данилушкин, Д.А. Зиннатуллин. Теплообменный аппарат с индукционным нагревом // Радиоэлектроника, электротехника и электроэнергетика// Десятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т.-М: Издательство МЭИ, 2004. Т.2. - 134 -135.

13. В.А. Данилушкин Оптимизация конструкции и режимов работы ицдукционных подогревателей высоковязких нефтей при транспортировке по трубопроводам//Вестник Самарского Государственного Технического Университета//Серия "Технические науки", Вып. № 20-2004 С. 176-179.

2 ^ 0

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: в работе [1] - разработка структуры САУ на базе регулируемого микроконтроллера, в работах [2,3, 4, 5, 6] - постановка задачи исследования и анализ краевых условий, в работах [7,8] - разработка математической модели, аналитические исследования, в работах [9, 11] - расчет электромагнитных источников тепла, в работе [12] -методика расчета параметров индукционного нагревателя применительно к теплообменным аппаратам.

Соискатель В.А. Данилушкин

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д.212.217.04 (протокол № 20 от 13 октября 2004г.)

Заказ 700 Тираж 70 экз. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет». Отдел типографии и оперативной печати 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Главный корпус.

Введение.

1. Проблема создания индукционных систем для нагрева высоковязких нефтей при перекачке трубопроводным транспортом.

1.1 .Термообработка парафинистых нефтей.

1.2. Специфика применения индукционных нагревателей для термообработки нефтей.

1.3. Специфика применения индукционных нагревателей для термообработки нефтей.

1.4. Задача оптимизации конструкции и режимов работы теплообменных аппаратов с индукционным нагревом.

2. Математическое моделирование процесса косвенного индукционного нагрева жидких нефтепродуктов в теплообменных аппаратах непрерывного действия.

2.1. Постановка задачи и метод исследования.

2.2. Конечно - элементная модель электромагнитного поля.

2.3. Исследование гидродинамических процессов в потоке вязкой жидкости.

2.4. Математическая модель тепломассопереноса в системе индуктор - металл - жидкость".

2.4. Алгоритм расчета температурных полей.

3. Расчет и анализ режимных характеристик объекта и элементы оптимального проектирования индукционного нагревателя.

3.1. Расчет и анализ электромагнитных и тепловых полей объекта.

3.1.1 Расчет электромагнитных источников тепла.

3.1.2 Расчет и анализ поля скоростей в потоке жидкости.

3.1.3 Расчет и анализ температурных полей в потоке жидкости.

3.2. Выбор и обоснование оптимальной частоты питающего тока.

3.3. Оптимальное распределение удельной мощности по длине нагревателя.

3.4 Оптимизация длины индукционной нагревательной установки.

4. Синтез систем автоматического управления теплообменным аппаратом с индукционным нагревом.

4.1. Исследование динамических свойств системы "индуктор-металл-жидкость" как объекта управления.

4.1.1. Анализ возмущающих воздействий в системе подогрева нефти и методика построения систем автоматического управления.

4.1.2. Расчёт динамических характеристик объекта управления по экспериментально полученной переходной функции.

4.1.3. Структурная схема объекта "индукгор-металл-жидкость".

4.2. Синтез системы автоматического управления с обратной связью по средней по сечению потока жидкости температуре.

4.3. Реализация системы автоматического управления нагревом жидкости.

Диссертация посвящена разработке и исследованию конструкции и режимов работы индукционных установок подогрева нефти перед транспортировкой по трубопроводам.

Актуальность проблемы:

Трубопроводный транспорт становится все более популярным в мире, число строящихся трансконтинентальных трубопроводов растет. В настоящее время в Европе строятся или находятся в стадии проектирования трубопроводы для транспортировки нефти и нефтепродуктов общей протяженностью 38,6 тыс. км. Большая часть данных проектов касается Каспийского региона и восточной Сибири. В середине 1999 г. началась транспортировка сырой нефти из Каспийского региона в порты Черного моря. В связи с ростом добычи нефти и увеличением объема ее транспортировки и переработки наблюдается дальнейшее увеличение диаметров трубопроводов. В топливный баланс во все больших размерах вовлекаются нефти с высоким содержанием парафина. Для их перекачки требуются совершенствование существующей и разработка новой технологии, совершенствование методов подготовки нефтей к транспортировке, эксплуатации самих трубопроводов и насосных станций.

Протяженность магистральных трубопроводов России составляет 217 тыс. км, в том числе нефтепроводных - 46,7 тыс. км, нефтепродуктопроводных - 19,3 тыс. км. Транспортировка продукции топливно-энергетического комплекса трубопроводным транспортом составляет 30 % общего объема грузооборота. По системе магистрального транспорта перемещается 99 % добываемой нефти, более 50 % производимой продукции нефтепереработки. В общем объеме транспортной работы (грузооборота) доля нефти - 40,3 %, нефтепродуктов - 4,3 \J %. В состав сооружений магистральных нефтепроводов входят 387 нефтеперекачивающих станций, в состав нефтепродуктопроводов - более 100 перекачивающих станций, резервуарные парки общей вместимостью 17,43 млн м3. Надежность систем магистрального трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов является важнейшим фактором стабильности и роста экономического потенциала России. Системы трубопроводного транспорта - это тот рычаг, который позволяет государству регулировать поставки нефтепродуктов на внутренний и внешний рынки. Экспорт нефти и нефтепродуктов в основном осуществляется трубопроводным транспортом, в том числе через морские терминалы. Морские терминалы в Новороссийске и Туапсе могут обеспечить вывоз сырой нефти в объеме 45 млн. тонн в год. Степенью надежности трубопроводов во многом определяется стабильность обеспечения регионов России важнейшими топливно-энергетическими ресурсами. Российские трубопроводные системы наиболее активно развивались в 60-80-е годы. В настоящее время 35 % трубопроводов эксплуатируется более 20 лет, что требует повышенного внимания к их эксплуатационной надежности и технической безопасности.

В области эксплуатации трубопроводов, транспортирующих высоковязкие нефти и нефтепродукты, накоплен значительный опыт [1, 11, 12, 44, 48,49, 85-90, 96-98]. Однако в литературе отсутствуют работы, достаточно полно систематизирующие вопросы подготовки нефтей к перекачке, транспортировке высоковязких жидкостей по трубопроводам. Особенно слабо освещены вопросы эксплуатации "горячих" трубопроводов для вязких нефтей и нефтей с аномальными свойствами, что создает определенные трудности для инженерно-технических работников, связанных с проектированием, сооружением и эксплуатацией нефтепроводов.

В настоящее время добываются значительные объемы нефтей, обладающих высокой вязкостью при обычных температурах или содержащие большое количество парафина и вследствие этого застывающие при высоких температурах.

Высокопарафинистые нефти являются, как правило, высокозастывающи-ми, т.е. теряющими обычные свойства жидкостей при температурах, близких к температуре застывания, образующаяся в нефти структура придает ей неньютоновские свойства. Внешним проявлением таких свойств является, в частности, отсутствие течения до приложения к.жидкости напряжения сдвига, разрушающего структуру. Аномальные свойства перекачиваемых жидкостей придают известную специфику при эксплуатации трубопроводов. Перекачка таких нефтей по трубопроводам обычным способом затруднена, поэтому для их транспортировки применяют специальные методы: перекачку с разбавителями, гидротранспорт высоковязких нефтей, перекачку термообработанных нефтей, перекачку нефтей с присадками, перекачку предварительно подогретых нефтей. Наиболее распространенным способом трубопроводного транспорта высоковязких и высокозастывающих нефтей в настоящее время является их перекачка с подогревом (горячая перекачка). В этом случае резервуары оборудованы системой подогрева нефти до температуры, при которой возможна ее откачка насосами. Они прокачивают нефть через дополнительные подогреватели и подают на прием основных насосов, которые закачивают нефть в магистральный трубопровод. На рис.1 приведена технологическая схема магистрального трубопровода с горячей перекачкой нефти. Нефть с промысла по трубопроводу 1 подается в резервуарный парк 2 головной перекачивающей станции.

I 12

0 0 0 0 4 5 6 ; В 9 10 11

ЧШ—НИ—□—DZ3-□—Q

0 О О о

Рис. 1. Принципиальная схема горячего магистрального трубопровода.

Резервуары оборудуются подогревательными устройствами, с помощью которых поддерживается температура нефти, позволяющая выкачать ее насосами 3, которые прокачивают нефть через дополнительные подогреватели 4. Применяемые в настоящее время подогреватели для потока нефти используют энергию пара или сжигаемого в специальных печах жидкого или газообразного топлива. Нагретая в подогревателях нефть поступает на вход основных насосов 5, нагнетающих нефть в магистральный трубопровод. По мере движения в магистральном трубопроводе нефть за счет теплообмена с окружающей средой остывает, поэтому через каждые 25-100 км размещают пункты подогрева 6 и 7 или промежуточные насосные станции 8 совмещают с тепловыми станциями 9. При необходимости между промежуточными подпорными станциями и резер-вуарным парком устанавливают промежуточные тепловые станции 10 и 11.

В настоящее время наиболее широко на тепловых станциях применяют огневые подогреватели, представляющие собой печь, топочная камера которой совмещена с теплообменным аппаратом для подогрева нефти. Применяемый способ подогрева нефти имеет ряд существенных недостатков, к которым относятся следующие:

1. Печи подогрева устанавливаются, как правило, после магистральных насосных агрегатов, что существенно сказывается на технико - экономических показателях работы перекачивающей станции, так как при принятой схеме значительно увеличиваются затраты энергии на перекачку холодной нефти; в ряде случаев при выталкивании остывшей нефти из трубопроводов или резервуаров используются дополнительные подпорные поршневые насосы, существенно увеличивающие затраты на оборудование.

2. Применяемые огневые печи подогрева нефти, работающие на газе или нефти, являются источником повышенной пожаро и взрывоопасное™. При эксплуатации многопоточных огневых подогревателей необходимо поддерживать одинаковые расходы в каждой ветви, чтобы условия охлаждения радиантных труб были одинаковыми; несоблюдение этих требований может привести к пережогу труб и взрыву или пожару огневого подогревателя.

3. Огневые печи являются источником эмиссии углекислого газа и других вредных для здоровья человека выбросов, т.е. представляют определенную экологическую опасность.

4. Регулирование теплового режима печи представляет собой сложный процесс, требующий привлечения высококвалифицированного обслуживающего персонала.

Актуальной проблемой сложных технических систем, к которым относятся технологические объекты трубопроводного транспорта, является обеспечение безопасности их эксплуатации. Это связано с резким увеличением техногенных аварий и катастроф на предприятиях добычи, транспорта и переработки нефти и нефтехимии. Причинами техногенных аварий и катастроф являются моральный и физический износ оборудования и трубопроводных систем, в том числе подогревателей, ведущий к отказам оборудования и нарушениям работоспособности технологических систем.

Повысить экономическую эффективность, надежность работы систем и улучшить экологическую обстановку позволит замена огневых печей подогрева нефти на теплообменные аппараты с индукционным нагревом, обладающие известными преимуществами, такими, как, например, возможность концентрации большого количества энергии в ограниченном объеме, обеспечение высокой равномерности нагрева, простота и плавность регулирования, компактность, экологическая чистота и удобство обслуживания. Применение их может дать существенные технологические преимущества: более высокую точность стабилизации температуры, высокую степень автоматизации и удобство регулирования, более высокую надежность и долговечность. С этих позиций проблема создания индукционных систем для нагрева высоковязких нефтей при перекачке трубопроводным транспортом является актуальной.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР "Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева" (гос. регистрационный № 01200208264) по заданию Министерства образования РФ.

Целью работы является разработка оптимальной конструкции индукционной системы для непрерывного нагрева жидкости на основе результатов математического моделирования электромагнитных и температурных полей в системе "индуктор-металл-жидкость", построение на базе проведенных исследований замкнутых систем управления, реализующих заданные технологические требования. Решение поставленных задач составляет основное содержание диссертационной работы, выполненной автором в Самарском государственном техническом университете.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, аппарата преобразований Лапласа, теории электромагнитного поля, теории автоматического регулирования, теории оптимального проектирования, экспериментальные методы исследования объектов и систем управления.

Достоверность результатов работы оценивалась путем сравнения с результатами численных экспериментов и частично с данными, полученными в работах других авторов.

Научная новизна.

В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

- разработаны аналитическая и численная математические модели электромагнитных, гидродинамических и температурных полей при индукционном нагреве подвижной системы осесимметричных физически неоднородных тел, ориентированные на решение задач проектирования и автоматического управления нагревательными установками в технологических комплексах транспортировки нефти;

- предлагается методика расчета параметров индукционной установки непрерывного действия для косвенного нагрева вязких неэлектропроводных жидкостей;

- разработаны структуры систем автоматического управления, обеспечивающих поддержание заданной температуры жидкости на выходе из нагревателя с требуемой точностью.

Указанные результаты являются новыми и позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи расчета параметров индукционных нагревательных установок, выбора источника питания, расчета режимов работы и. синтеза систем автоматического управления объектами индукционного нагрева в специализированных технологических процессах.

Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

- построен и реализован на ЭВМ комплекс программ расчета электромагнитных, гидродинамических и температурных полей при непрерывном косвенном индукционном нагреве жидкости с неравномерным по сечению распределением скорости потока жидкости; ~

- разработаны конкретные рекомендации по проектированию индукционной системы для теплообменных аппаратов в установках технологического нагрева вязких жидкостей;

- предложена инженерная методика определения передаточных функций для теплообменного аппарата с индукционным нагревом как объекта с распределенными параметрами;

- предложены структуры замкнутых систем автоматического управления теплообменным аппаратом с индукционным нагревом, реализованные на базе управляющей микропроцессорной техники;

- на основании проведенных исследований создана электротермическая установка непрерывного действия для подогрева нефти при транспортировке по трубопроводам.

Полученные электромагнитная, гидродинамическая и тепловая модели позволяют использовать их не только для решения конкретно поставленной задачи, но и для других практически важных задач технологического нагрева.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9-й межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 1999), на 8-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2002), на 2-й Международной конференции молодых учёных и студентов (г. Самара, 2001), на научно-технической конференции «Электротехнология на рубеже веков» (г. Саратов, 2001), на 11-й межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2001), на 9-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2003), на 12-й межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2002), на 10-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (гГМосква, 2004), на межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2004).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 124 страницах машинописного текста; содержит 54 рисунков и 7 таблиц, список использованных источников, включающий 100 наименований и 1 приложение.

Выводы

1. На основании численных экспериментов по переходной функции объекта получены передаточные функции системы "индуктор - металл - жидкость" для фиксированных координат по сечению потока жидкости. Передаточная функция объекта по каналу "мощность внутренних источников тепла - температура жидкости" представлена в виде комбинации последовательно - параллельно соединенных апериодических звеньев и звеньев запаздывания.

2. На основании численных экспериментов получена зависимость температуры стенки трубы и мощности внутреннего тепловыделения от температуры жидкости на выходе из нагревателя при заданной производительности. Предложена аппроксимация распределения мощности внутреннего тепловыделения по длине трехеекционного нагревателя в виде кусочно - линейной зависимости.

3. Предложена структура замкнутой системы автоматического регулирования средней по сечению потока температуры жидкости. Предложена оценка средней по сечению температуры жидкости на основании аппроксимации экспериментально полученной функции распределения температуры жидкости по сечению в виде отрезка параболы или кусочно-линейной зависимости.

4. Проведен анализ качественных показателей работы предложенной системы регулирования при отработке возмущающих воздействий по различным каналам воздействий. Результаты анализ свидетельствуют об удовлетворительных качественных показателях работы замкнутых систем автоматического регулирования.

5. Разработана конструкция теплообменного аппарата с индукционным нагревом и предложен вариант реализации системы автоматического управления на базе программируемого логического контроллера фирмы Siemens серии S7-300.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты.

1. Проведённый анализ существующих технологий нагрева нефти перед транспортировкой по трубопроводам показал, что используемые в настоящее время методы нагрева не обеспечивают возросших требований к эффективности и надежности систем, не удовлетворяют требованиям экологии. В то же время существуют различные конструкции индукционных нагревателей для жидкостей, которые при определенном подходе к их проектированию позволят обеспечить все перечисленные требования.

2. Известные в практике индукционного нагрева исследования посвящены в основном изучению процессов нагрева металлов. Так как косвенный индукционный нагрев вязких неэлектропроводных жидкостей существенно отличается по своим динамическим свойствам, возникает необходимость в более глубоком изучении процессов нестационарного тепломассопереноса в системе "индуктор-металл-жидкость" и установлении характера внутренних связей между отдельными звеньями системы и их количественных характеристик.

3. Разработана и реализована программно конечно-элементная модель электромагнитного поля в многослойной цилиндрической системе, состоящей из двух разделенных диэлектрической жидкостью осесимметричных металлических труб с различными электрофизическими свойствами, охваченных индуктором. С ее помощью проведены расчеты и выполнен анализ распределения мощности электромагнитных источников тепла для различных вариантов конструкции теплообменного аппарата. Получены диаграммы распределения плотности токов, мощности внутренних источников тепла по радиусу трубы и длине нагреваемого изделия.

4. На основании анализа технологического процесса нагрева неэлекгро-проводных вязких жидкостей сформулирована задача идентификации и разработана численная математическая модель нестационарной теплопроводности в системе осесимметричных тел с различными теплофизическими свойствами. На базе метода конечных элементов предложен алгоритм решения тепловой задачи с учётом неравномерного распределения скорости нагреваемой жидкости по сечению потока. С его помощью получены тепловые поля рассматриваемого объекта, выполнен анализ и даны рекомендации по выбору рациональной конструкции индукционной системы, ориентированной на нагрев вязких неэлектропроводных жидкостей.

5. На основании анализа электромагнитных и тепловых полей для заданных параметров труб теплообменного аппарата обоснован выбор частоты тока индуктора, обеспечивающего заданное распределение электромагнитной мощности между внешней и внутренней трубами. Приведены рекомендации по выбору толщины стенки труб теплообменного аппарата и электрофизических характеристик материалов для них при фиксированной частоте тока индуктора.

6. На основании численных экспериментов по переходной функции объекта получены передаточные функции системы "индуктор - металл - жидкость" для фиксированных координат по сечению потока жидкости. Передаточная функция объекта по каналу "мощность внутренних источников тепла - температура жидкости" представлена в виде комбинации параллельно соединенных апериодических звеньев и звеньев запаздывания.

7. Рассчитаны переходные функции объекта; по виду переходной функции определены характер передаточной функции для каждой координаты объекта, постоянная времени, наличие и величина запаздывания.

8. На основании численных экспериментов получена зависимость температуры стенки трубы и мощности внутреннего тепловыделения от температуры жидкости на выходе из нагревателя при заданной производительности. Предложена аппроксимация распределения мощности внутреннего тепловыделения по длине трехсекционного нагревателя в виде кусочно - линейной зависимости.

9. Предложена структура замкнутой системы автоматического регулирования средней по сечению потока температуры жидкости. Предложена оценка средней по сечению температуры жидкости на основании аппроксимации экспериментально полученной функции распределения температуры жидкости по сечению в виде кусочно-линейной зависимости.

10. Проведен анализ качественных показателей работы предложенной системы регулирования при отработке возмущающих воздействий по различным каналам воздействий. Результаты анализ свидетельствуют об удовлетворительных качественных показателях работы замкнутых систем автоматического регулирования.

11. По результатам исследований предложены конструкция теплообменного аппарата с индукционным нагревом и системы управления, позволяющие значительно повысить эффективность и качество работы установки, обеспечить более высокую надежность, существенно увеличить срок службы.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на совершенствова- ние систем управления технологическим~комплексом, повышение эффективности и надежности узлов и блоков, полную автоматизацию технологической линии.

1. Агапкин В.М., Кривошеин Б.Л., Юфин В.А. Тепловой и гидравлический расчеты трубопроводов для нефти и нефтепродуктов. М., Недра, 1981, 256 с.

2. Агапкин В.М., Кривошеин Б.Л. Применение тепловой изоляции при транспорте и хранении нефти и нефтепродуктов. М., изд. ВНИИОЭНГ, 1978.

3. Андреев Ю.Н. Оптимальное проектирование тепловых агрегатов. М.: Машиностроение, 1983.-231 с.

4. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования.: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1984. -248 с.

5. Батищев Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования. М.: Наука, 1978.-486с.

6. А.А. Базаров, В.А. Данилушкин, А.Н. Крылов. Синтез оптимальных алгоритмов управления процессом непрерывного индукционного нагрева ферромагнитной загрузки. Труды АЭНЧР, №1/2003, стр.88 91.

7. Брахман Т.Р. Многокритериальность и выбор альтернативы в технике. М.: Радио и связь, 1984. - 288 с.

8. Бреббия К., Теллес Ж., Вроубел А. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987.-481с.

9. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. М.: Энергия, 1967. — 415с.

10. Геминтерн В.И., Коган Б.М., Методы оптимального проектирования. М.: Энергия, 1980. - 160 с.

11. Губин В.Е. Губин В.В. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. М., Недра, 1982,296 с.

12. Губин В.В., Тонкошнуров Б.А. Исследование нестационарного режима прогрева грунта горячим подземным нефтепроводом. В кн. Трубопроводный транспорт нефта (ВНИИСПТнефть. Тр. Вып. XVIII), 1977.-е. 17-22

13. Данилушкин А.И., Зимин Л.С. Идентификация процесса низкотемпературного индукционного нагрева при обработке полимерных материалов. // Ж-л

14. Вестник Самарского технического университета.» Серия «Технические науки.» №1, 1994, с. 171-177.

15. Данилушкин А.И., Шумаков М.А. Оптимизация нестационарных режимов работы индукционного нагревателя непрерывного действия для нагрева нефтепродуктов. // Ж-л «Вестник Самарского технического университета » Серия «Технические науки.» №13 2001, с. 46-49.

16. Данилушкин А.И. Структурное моделирование процессов и систем управления одного класса объектов индукционного нагрева. // Ж-л «Вестник Самарского государственного технического университета» Серия «Технические науки», Вып.5 1998, с. 120-129.

17. Данилушкин В.А., Осипов О.О. Комплексная система автоматического регулирования режимами индукционного нагрева в линии раскатки колец. Труды молодых исследователей технического университета. Самара, СамГТУ, 2001, с. 82-86.

18. Данилушкин В.А, Калашников С.А., Шумаков М.А. Применение индукционных нагревателей в трубопроводном транспорте высоковязких нефтей. //

19. Ж-л «Вестник Самарского технического университета.» Серия «Технические науки.» №14,2002, с. 178-181.

20. Данилушкин В.А. Калашников С.Н. Индукционный подогрев высоковязких нефтей при транспортировке по трубопроводам // Разработка, эксплуатация и обустройство нефтяных месторождений: Тр. ОАО Гипровостокнефти, Самара, 2002, с. 195-200.

21. В.А. Данилушкин. Оптимизация переходных режимов1 непрерывного индукционного нагревателя с ферромагнитной загрузкой // Электро теплотехнические процессы и установки // Межвузовский научный сборник - Саратов- 2003. стр. 84-88.

22. В.А. Данилушкин, Д.А. Зиннатуллин. Расчет и анализ индукционных нагревателей для транспортировки нефти // Разработка, эксплуатация и обустройство нефтяных месторождений: Тр. ОАО Гипровостокнефти, Вып. 62, Самара, 2003, стр. 115-122.

23. Дегтярев В.Н. Смешение парафинистых нефтей. М., ВНИИОЭНГ,1972.

24. Демидович В.Б. Теория, исследование и разработка индукционных нагревателей для металлургической промышленности: Автореферат дис. . докт. техн. наук. Спб.,2002. - 32 с.

25. Демирчян К.С., Чегурин В.Л. Машинные расчёты электромагнитных полей. М.: Высшая школа. 1986. - 240 с.

26. Демирчян К.С., Солнышкин Н.И. Расчет трехмерных магнитных полей методом конечных элементов // Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт. 1975. -№ 5.-с. 39-49.

27. Довбыш В.Н. Оптимальное проектирование электротермической установкидля утилизации взрывателей: Автореф. дисс.канд. техн. наук. Самара.,2003. -20 с.

28. Егоров А.И. Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами. М.: Наука, 1978. 464 с.38а. Заливин Н.Н. Новый метод индукционного нагрева вулканизационных форм.// Химическое и нефтяное машиностроение. 1967. № 3, с. 33-34.

29. Зимин JI.C. Методы оптимального проектирования систем индукционного нагрева. //Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов и промышленных установок: Межвузовский сборник научных трудов, 1977. -Вып. 8. с. 142 - 146.

30. Зимин JI.C. Об оптимальном выборе конструктивных характеристик систем индукционного нагрева. // Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов и промышленных установок: Межвузовский сборник научных трудов, 1978. Вып. 9. - с.123 - 126.

31. Зимин JI.C. Оптимальное проектирование систем индукционного нагрева в технологических комплексах обработки металла давлением. Автореф. дисс. докт. техн. наук.-Л., 1987. 30 с.

32. Зимин JI.C., Данилушкин А.И., Оптимизация нестационарных режимов непрерывного индукционного нагрева ферромагнитных изделий. / Вопросы проектирования автоматизированных моделирующих и управляющих систем. Куйбышев: КУАИ, 1982, с. 95-99.

33. Исаченко В.П., Осипов В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиз-даг, 1981.-417с.

34. Исследование теплообмена и сопротивления при ламинарном течении вяз-копластичных нефтей в трубопроводах/ Н.М. Андреенко, В.Е. Губин, Н.М. Гостев и др. В кн. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов (ВНИИСПТнефть, 198Гг.

35. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М., 1968, 720 с.

36. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970. - 710 с.

37. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи / Пер. с англ. М.: Мир, 1983. -512 е., с ил.

38. Кривошеин Б.Л., Агапкин В.М., Двойрис А.Д. Способы прокладки и эксплуатация трубопроводов в условиях вечной мерзлоты. М., изд. ВНИИОЭНГ, 1975.

39. Куртенер Д.А., Чудновский А.Ф. Расчет и регулирование теплового режима в открытом и защищенном грунте. Л., Гидрометеоиздат, 1969.

40. Кувалдин А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитных сталей. М.: Энер-гоатомиздат, 1988. -200с.

41. Ларичев О.И. Объективные модели и субъективные решения. М.: Наука, 1987. - 144 с.

42. Лившиц М.Ю. Теория и алгоритмы оптимального управления термодиффузионными процессами технологической теплофизики по системным критериям качества: Автореф. дис. докт. техн. наук. Самара, 2001. - 46 с.

43. Лыков А.В. Теория теплопроводности. -М.: Высшая школа, 1967 599 с.

44. Лыков А.В. Тепломассообмен (Справочник) М.: Энергия, 1978 -480 с.

45. Маликов Ю.К., Лисиенко В.Г. Численный метод решения задач теплопроводности для двумерных тел сложной формы. //Инженерно-физический журнал, 1981, №3. с.503 - 509.

46. Мельников А.А. Расчет электромагнитных и температурных полей методом конечных элементов. Уч. Пособие / Моск. гос. ин-т радиотехники, электроники и автоматики (техн. ун-т) М., 2001. - 76 с.

47. Э. Митчелл, Р. Уэйт. Метод конечных элементов для уравнений с частными производными. -М.: Мир, 1981. -216с.

48. Немков B.C., Демидович В.Б., Руднев В.И. и др. Влияние конструкции и режимов работы индукционных нагревателей на их энергетические показатели // Электротехника. 1986. -№3. - с.23-27.

49. Немков B.C., Казьмин В.Е. Использование цифровых моделей для автоматизированного проектирования индукционных нагревателей стальных заготовок // Изв. Вузов. Электромеханика. 1984. - №9. - с.52-59.

50. Немков B.C., Полеводов П.С. Математическое моделирование на ЭВМ устройств высокочастотного нагрева. Л.: Машиностроение, 1980.-64 с.

51. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.

52. Никитенко Н.И., Кольчик Ю.Н., Сороковая Н.Н. Метод канонических элементов для моделирования гидродинамики и тепломассообмена в областях произвольной формы. // Инженерно-физический журнал, 2002, №6. с.74-80.

53. Носов П.И. Моделирование и оптимизация режимов нагрева слитков из алюминиевых сплавов в индукционных установках полунепрерывного действия: Автореф. дис. канд. техн. наук. Л., 1982. - 19 с.

54. Ордынцев В.М. Математическое описание объектов автоматизации. «Машиностроение», Москва, 1965. 360 с.

55. Острейко В.Н. Расчет электромагнитных полей в многослойных средах. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1981. 152с.

56. Павлов Н.А. Инженерные тепловые расчеты индукционных нагревателей. М.-Л.: Энергия, 1978.-120с.

57. Рапопорт Э.Я. Альтернансный метод в прикладных задачах оптимизации. -М.: Наука. 2000 336 с.

58. Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. -М.: Металлургия, 1993. 279 с.

59. Рапопорт Э.Я. Теория и алгоритм оптимального управления индукционным нагревом металла перед обработкой давлением: Автореф. дисс. доктора техн. наук. М., 1983. -42с.

60. Рей У. Методы управления технологическими процессами: Пер с англ. М.: Мир, 1983.-368 с.

61. Себиси Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы: Пер. с англ. -М.: Мир, 1987. 592с.

62. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 392с

63. Сидоренко В.Д. Применение индукционного нагрева в машиностроении. -Л.: Машиностроение, 1980. -231с.

64. Синдяков Л.В. Оптимизация энерготехнологических характеристик установившихся режимов работы индукционных установок непрерывного действия для нагрева стальных заготовок: Автореф. дисс. канд. техн. наук. Л., 1984. -19 с.

65. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. М.: Недра, 2000 - 378 с.

66. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева машиностроительных деталей. Л.: Энергия, 1975. 183 с.

67. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М.: Наука, 1981. - 110 с.

68. Справочник по гидравлике / под ред. В.А. Большакова, К.: Высшая школа, 1984.-343 с.

69. Справочник по тегоюобменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Канавец, В.М. Селиверстов., М.: Машиностроение, 1989. 368 с.

70. Теплофизические свойства жидкостей и газов Сб. статей Махачкала: Б.и., 1979.-127с.

71. Теплотехнический справочник: В 2-х т. Под общей редакцией В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева 2-е изд., перераб. М., "Энергия", 1975. - 436с.

72. Тозони О.В., Майергойз И.Д. Расчёт трехмерных электромагнитных полей. -К.: Техника, 1974. 352 с.

73. Трубопроводный транспорт вязких нефтей /Н.К. Надиров, П.И. Тугунов/, Алма-Ата, Наука, 1985. 146с.

74. Трубопроводный транспорт нефти и газа / В.Д. Белоусов, Э.М. Блейхер, А.Г. Немудров и др. М., Недра, 1978. 132с.

75. Трубопроводный транспорт нефти: Сб. науч. трудов/Уфа, ВНИИСПТнефть, 1987. 136с.

76. Трубопроводный транспорт нефти: Сб. науч. трудов/Уфа, ВНИИСПТнефть, 1981г. .-148с.

77. Тугунов П.И. Нестационарные режимы перекачки нефтей и нефтепродуктов. М.: Недра, 1984, - 224 с.

78. Тугунов П.И., Новоселов В.И. Транспортирование вязких нефтей и нефтепродуктов по трубопроводам. М., Недра, 1972. 158 с.

79. Установки индукционного нагрева / Под ред. А. Е. Слухоцкого.- JL: Энерго-издат, 1981.-326 с.

80. Фарамазов С.А. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация. М.:Химия, 1984. - 328с.

81. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2-х т.: Т.1. Пер. с англ.-М.:Мир, 1991. 504с.

82. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2-х т.: Т.2. Пер. с англ.-М.:Мир, 1991. 552с.

83. Химические аппараты с индукционным обогревом/ С.А. Горбатков, А.Б. Ку-валдин, В.Е. Минеев, В.Е.Жуковский. М.: Химия, 1985, 65с

84. З.И. Фонарев, Г.И. Иванов, И.И. Еремин. Электроподогрев трубопроводов на нефтебазах. Обзорная информация. Серия "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". М., ВНИИОЭНГ, 1982.

85. Фонарев 3. И. Электроподогрев трубопроводов, резервуаров и технологического оборудования в нефтяной промышленности. Д.; Недра, 1984. - 148 с.

86. Шкадов В.Я., Запрянов З.Д. Течение вязкой жидкости. М.: Издательство Московского университета, 1984. - 200 с.

87. Шумаков М.А. Разработка и исследование системы индукционного нагревавязких жидкостей при производстве строительных мастик: Автореф. дисс.канд. техн. наук. Самара., 2003. -20 с.

88. Использование результатов диссертационной работы способствует повышению эффективности и качества учебного процесса.

89. Декан электротехнического факультетзаведующий кафедрой ЭПП д.т.н., профессор

90. Профессор кафедры ЭПП д.т.н., профессор1. В.И. Котенев